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        ★ 生產開發 ★

        我國井工煤礦開采技術裝備回顧及展望

        郭俊生

        (煤炭工業規劃設計研究院有限公司, 北京市西城區,100120)

        摘 要 我國井工煤礦開采技術及配套裝備發展30年來,不論是開采、掘進技術及配套裝備,還是安全高效現代化礦井建設技術水平,都實現了由弱到強的跨越式提升。對我國30年來厚煤層開采技術發展、薄及中厚煤層開采技術裝備發展、安全高效礦井配套技術裝備發展等方面進行了回顧和總結,展望了我國井工煤礦開采發展前景,認為,安全、高效、綠色、智能將成為未來我國井工煤礦開采技術的主要發展方向,主要表現在復雜煤層安全高效開采、井工煤礦智能無人開采、煤炭資源綠色一體開采等方面。

        關鍵詞 井工煤礦;開采;掘進;安全高效;技術裝備;發展展望

        從20世紀90年代至今,我國井工煤礦開采技術不斷進步,取得了突飛猛進的發展,近年來由高產高效逐漸向安全高效轉變。根據煤層的不同開采厚度,厚煤層開采技術實現了從分層開采、一次采全高、放頂煤開采、大采高一次采全高的臺階式遞進,薄煤層開采技術也經歷了炮采、普采、綜采的技術轉變,相比之下,厚煤層開采更明顯地引領和代表了中國井工煤礦開采技術的發展方向。

        1 厚煤層開采技術發展

        我國井工礦厚煤層開采技術經歷了炮采-機采-綜采的發展歷程,綜采技術也經歷了由試驗到研發、由研發到升級的轉變[1], 20世紀90年代以來,我國煤炭行業實現由建設高產高效礦井向建設安全高效礦井轉變,我國厚煤層開采技術也達到國際領先水平。

        根據煤層開采的主要工藝不同,對我國30年來厚煤層開采技術的發展歷程進行了以下總結。

        1.1 分層開采技術工藝及裝備

        20世紀七八十年代,我國厚煤層大多采用分層開采的方式,即先開采上分層(或者第一分層),然后鋪設金屬網,待形成人工假頂后再開采下一個分層,分層厚度一般為2.5~3.0 m,工作面產量普遍為100~200萬t/a。如晉煤集團古書院礦緩傾斜6 m厚煤層分2層開采,綜采工作面產量180萬t/a;開灤礦務局唐山煤礦9~11 m厚煤層分3~4層開采,綜采工作面產量超過100萬t/a。

        20世紀90年代后,隨著厚煤層開采技術發展,特別是高產高效礦井建設和安全管理要求的提高,分層開采存在的巷道掘進量大、材料消耗和動力消耗大、巷道布置和生產系統復雜、對于煤層自然發火難以控制等不足逐步顯現,制約了厚煤層開采的高產高效發展,分層開采逐漸被放頂煤開采和一次采全高工藝替代。

        進入21世紀后,在特厚煤層開采中,由于受到單層開采厚度限制,也常應用分層開采,但分層厚度較大,基本屬于分層放頂煤開采或者分層一次采全高工藝系列,因此分層開采部分不再敘述。

        1.2 一次采全高技術工藝及裝備

        我國厚煤層一次采全高工藝是在中厚煤層綜采基礎上逐步發展起來的。1978年開灤范各莊煤礦試驗工作面采高3.6~4.0 m,月產煤炭8.6萬t;1985年在西山礦務局官地煤礦采高 4.0 m工作面、邢東東龐煤礦采高 4.5~4.8 m工作面一次采全高工藝平均月產量均已超過 14萬t。在地質條件與煤層開采條件相對簡單的情況下,一次采全高工作面產量一般可達分層開采的1.5~2.5倍,因此得到廣泛推廣應用。但受綜采技術與裝備發展的制約,以及應對煤層與開采條件的經驗不足,一次采全高綜采工作面的最大機采高度均未能突破5.0 m。

        20世紀90年代,從高產高效礦井要求出發,我國厚煤層開采技術發展主要表現在對工作面主要生產設備進行改造提高和更新換代上,使綜采設備在研發制造時更突出強調綜采的整體配套性,其典型代表就是“八五”國家攻關項目“日產 7 000 t 綜采成套設備的研制”[2]。全套設備以大功率、大截深交流變頻電牽引采煤機,交叉側卸、封底鑄焊溜槽的大運量刮板輸送機,大工作阻力、高移架速度的液壓支架為主體,在鐵法礦務局得到試驗應用,平均煤炭月產量超過16萬t,綜合產能達到200萬t/a水平,為我國厚煤層綜采技術再上“日產1萬t”“日產2萬t”臺階奠定了堅實基礎。

        21世紀初,我國大采高一次采全高技術和裝備有了進一步突破,以神華集團神東礦區最為突出,采用一次采全高的煤層厚度逐步提高,在4~6 m 厚煤層一次采全高生產工藝技術實現“一礦一面”煤炭年產量8~10 Mt。如,2003年,神東礦區補連塔煤礦4.8 m大采高綜采工作面年產原煤924萬t;2004年,神東礦區上灣煤礦5.4 m大采高綜采工作面年產原煤1 075萬t;到2007年,神東礦區上灣煤礦誕生首個6.3 m大采高重型綜采工作面,采出率及工效大幅度提高;同期在山西晉城寺河礦也實現了大采高由5.2 m提高到6.2 m、產能達1 000萬t/a的目標。至此,大采高一次采全高工藝有了突飛猛進的發展,成為厚度7 m以下厚煤層開采的首選工藝。

        近10年來,我國煤炭行業開展了一系列技術攻關,取得了年產千萬噸級大采高綜采成套技術與裝備等一批重大成果,其中厚煤層開采高度突破7 m是這個階段的最大亮點,且開采高度節節攀升,不斷刷新世界紀錄。我國晉陜蒙等西部重點煤炭基地的主采煤層大多在7 m以上,由于開采技術設備現狀所限,這部分煤層也是放頂煤和一次采全高2種工藝都難以完美突破的煤層,因此迫切需要探索出最佳的解決途徑以減少丟煤帶來的資源浪費。在國內外綜采技術裝備發展基礎上進行技術攻關,研發了7.2 m 超大采高綜采成套裝備,在陜煤集團神木紅柳林礦業有限公司等煤礦成功應用,平均月產量達到109.9萬t,年產量達到1 200 萬t;研發了8 m 超大采高綜采成套裝備,在神東礦區補連塔煤礦成功應用,最高月產134萬t,生產能力達到1 500萬t/a以上;研發了8.2 m 超大采高綜采成套裝備,在陜西金雞灘煤礦成功應用,工作面年產量突破1 500萬t;研發了8.8 m 超大采高綜采成套裝備,在神東上灣煤礦成功應用,再次刷新世界超大采高綜采工作面采高、產量與工效的記錄,向工作面生產能力1 600萬t/a進軍[2-3]。目前,采高9 m的采煤機已經問世,可望在一次采全高方面取得更大突破,實現9 m煤層的一次采全高智能化高效開采。

        1.3 綜采放頂煤技術工藝及裝備

        在總結厚煤層分層開采經驗教訓的基礎上,20世紀八九十年代,我國以陽泉、潞安、兗州等厚煤層礦區為代表,逐步試驗應用綜采放頂煤工藝,并實現了單產超百萬噸的突破,最高年產達 500 萬 t。綜采放頂煤工藝具有單產高、效率高、成本低、效益好等優勢,特別是高產高效成為煤礦扭虧增盈的主要技術措施之一。但試驗應用初期由于工藝設備不完善,放頂煤經驗不足,也暴露出綜放開采采出率普遍偏低,對瓦斯、火、粉塵等安全隱患治理難度大等問題,特別是由于個別企業急功近利地采用綜放開采技術,造成一定煤炭資源損失。在此基礎上,經過多年不斷探索研究,放頂煤技術工藝和設備不斷完善,綜采放頂煤技術日漸成熟,成為厚煤層開采的重要手段之一,并逐步走向世界。

        作為典型代表之一,山東兗礦集團采用國產技術裝備,在綜采放頂煤發展的20~30年間,應用綜采放頂煤開采工藝實現單個工作面產量由200~300萬t/a 到600~700萬t/a的跨越,放頂煤開采高產高效礦井建設推動了全行業技術進步,也帶動了世界開采技術發展。根據礦區煤層及開采條件的不同,在20世紀七八十年代工作面煤炭產量100~200萬t/a水平(低檔)的基礎上,兗礦集團采用“八五”攻關設備,建成了煤炭產量200~300萬t/a水平(中檔)工作面;采用“九五”攻關設備,建成了煤炭產量400~500萬t/a水平(高檔)工作面;采用“十五”攻關設備及年產600萬t自動化信息化設備,建成了600~700萬t/a水平(超高檔)工作面。與之對應,分別在南屯煤礦“一礦一井一面”達到200~300萬t/a的生產水平,興隆莊、鮑店、濟寧二號煤礦“一礦一井一面或兩面”達到400~800萬t/a的生產水平,礦井原煤生產效率達到10~20 t/工;東灘礦和濟寧三號礦 “一礦一井兩面”達到800~1 000萬t/a的生產水平,礦井原煤生產效率達到20~40 t/工,為兗礦集團綜放技術走向世界奠定了堅實基礎[4]。2004年兗礦集團以其先進的防滅火技術和綜采放頂煤技術競標成功,將綜放技術引入澳大利亞,建立了采用中國技術的第1個國外綜放開采示范基地,使綜放開采技術設備走向世界,為世界采礦業做出了貢獻[5]。

        進入21世紀,綜放開采工藝向著“高大上”方向發展,采高加大,采出率提高,單產和工效大大提升。由于受到《煤礦安全規程》中“緩傾斜、傾斜厚煤層的采放比大于1∶3且未經行業專家論證的,嚴禁采用放頂煤開采”的限制,我國厚度12 m以上厚煤層放頂煤開采也受到較大程度制約。因此提高開采高度相應加大放煤高度成為進一步研究攻關方向。經過多年研發,成功攻克了大采高綜采放頂煤開采關鍵技術工藝、“采運支”等主要工作面裝備、工作面大斷面巷道支護技術和裝備、輔助運輸設備、大采高安全保障等技術難題,試驗應用采高從3.5 m逐步提高至5.2 m,放頂煤煤層厚度也從12 m提升至20 m,一般工作面單產600萬t/a以上,最高突破1 000萬t/a,極大提高了開采效率和采出率[6]。如神東礦區大柳塔煤礦大采高綜放開采最高工作面月產64萬t;平朔安家嶺煤礦大采高綜放開采最高工作面月產130萬t;大同同忻煤礦大采高綜放工作面實現年產1 006萬t,塔山礦8105 大采高綜放開采工作面年產量達到1 085萬t。

        1.4 安全高效現代化礦井建設

        1.4.1 高產高效向安全高效礦井的轉變

        過去的30年間,我國現代化礦井建設由20世紀90年代的 “高產高效礦井”,實現了向21世紀“安全高效礦井”的轉變。根據1995年原煤炭工業部出臺的《關于加快高產高效礦井建設的決定》,高產高效礦井重在“高產”和“高效”,即“依靠科學技術進步,深化改革,挖掘潛力,采用新技術、新裝備、新工藝、新材料,實現高度合理集中生產;以提高經濟效益為中心,以扭虧增盈為目標,加快高產高效礦井建設”[7]。2001年,全國100處高產高效礦井原煤產量突破2億t,占當年原國有重點煤礦產量的1/3以上,對我國現代化礦井建設起到了重要推進作用。

        2007年,我國從轉變煤炭行業發展理念出發,為突出安全第一、安全生產理念,將原“高產高效礦井”建設更名為“安全高效礦井”建設[8]?!鞍踩碧娲案弋a”,體現了“以人為本”的科學發展觀,不僅從產量及效益方面,而且從安全生產、采掘機械化程度、信息化建設和環境保護等方面,對安全高效礦井建設標準提出了更嚴格和更全面的要求,糾正了單純依靠高產來達到高效的片面發展思路。

        1.4.2 安全高效礦井建設

        從20世紀90年代起,按照高產高效向安全高效現代化礦井轉變的方向進行建設,我國相繼誕生了許多代表世界先進水平的現代化煤礦。例如濟寧三號礦井是兗礦集團繼興隆莊煤礦、東灘煤礦、鮑店煤礦等大型礦井后,在濟寧礦區建設的又一對立井厚表土層條件現代化大型煤礦。在經世界銀行委托咨詢評估確定5個采區、5個綜采工作面保證500萬t/a的基礎上,設計優化為投產2個工作面,綜采工作面設備采用1臺進口采煤機加1臺國產采煤機(MGTY400/900-3.3D)、支護設備為四柱支撐掩護式低位放頂煤液壓支架(ZFS6200/18/35),采用立井無軌運輸系統,傾斜大巷布置,強力帶式輸送機運輸(帶寬1.2~1.4 m,運量1 500~2 500 t/h),2套22 t多繩箕斗,生產工效由5 t/工提高到20 t/工,創造了投產即達產、向千萬噸級礦井邁進的新紀錄。20世紀90年代設計的神東大柳塔煤礦采用平硐開拓,盤區式布置,大巷兩側布置條帶工作面,加大工作面推進長度至5 km,生產模式為“一礦兩井兩面”,生產布局為“一綜二連”,在全國率先引進世界先進裝備,2000年“一礦一井一面”模式年產800萬t商品煤,全礦定員345人;2001年“一礦兩井兩面”模式年產1 400萬t商品煤,全礦定員480人,各項指標居世界前列,成為安全高效礦井的典范。

        至2000年前后,我國已建成各類高產高效礦井超過100處,極大提高了礦區生產技術程度和單產水平。如神華集團榆家梁煤礦、大柳塔煤礦,兗礦集團興隆莊煤礦、東灘煤礦等均達到國際領先和先進技術水平,主要技術經濟指標創造了新的世界紀錄。2007年后,我國按照“安全高效”標準建設,安全高效礦井數量逐年增加, 特別是近10多年我國建成的安全高效礦井數量有了大幅增加,在出臺的建設標準中也逐步增加了綠色、智能等相關指標。例如,2008年我國安全高效礦井共有292處,到2018年上升到了901處,10年間我國安全高效礦井數量增長209%[9]。

        在過去的30年間,隨著我國設計建設水平的提高,復雜地質條件下深井建設也達到國際領先水平,一批具有世界水平的“一井一面”模式、一次采全高或者綜采放頂煤采煤工藝的特大型安全高效現代化礦井相繼建設投產。如華東地區安徽淮南顧橋礦井、山東巨野礦區新巨龍煤礦(原龍固礦井)等。顧橋礦井設計生產能力500萬t/a,為松散層厚400 m、高瓦斯、高地溫、高地壓等復雜條件下的新建礦井,設計采用分區開拓、煤與瓦斯共采,工作面采用SL750進口采煤機、國產ZY8800/18/38液壓支架、國產SGZ1000/1400刮板輸送機等設備,采用一次采全高采煤工藝,“一井一面”的設計生產能力達到500萬t/a,“一井二面” 的設計生產能力達到1 000萬t/a。新巨龍煤礦是山東省巨野礦區開發的第1對特大型礦井,生產能力600萬t/a,巨厚松散表土層且煤層埋藏深度大,還存在高地溫疊加高地壓災害,條件極為復雜,有些甚至屬于世界級難題。依靠科技進步,通過聯合攻關,設計攻克巨厚松散表土層建井難題,采用立井分區開拓,傾斜大巷布置,合理劃分采區,設計利用國產高效裝備,以“一區一面”模式首次實現在高地溫、大涌水、易自燃條件下的千米深井達到年產600~1 000萬t的目標,為同類型礦井建設提供了寶貴經驗,也為礦井經濟效益提升提供了堅實基礎[10-11]。

        最近幾年來,智能化工作面成功應用并推廣,為安全高效礦井建設再上臺階增添羽翼,再次提高了我國安全高效礦井建設領先水平。

        2 薄及中厚煤層開采技術及裝備發展

        相比厚煤層的開采技術發展,薄及中厚煤層開采技術也取得一定進步。從20世紀80年代采用薄煤層采煤機開始,薄煤層開采經歷了薄煤層普通機采、刨煤機開采、綜合機械化開采、智能化開采的發展歷程。

        20世紀90年代起,我國在引進蘇聯電磁調速外牽引采煤機基礎上, 經歷了由仿制到研制,從液壓驅動、鋼絲繩或鏈牽引到電牽引采煤機的發展,最終在經濟型綜采和高檔普采采煤機上獲得廣泛應用,國產薄煤層滾筒采煤機在薄—中厚、煤質中硬以下、緩傾斜煤層條件下滿足開采需求。

        刨煤機的應用始于21世紀初。2001年,鐵法集團引進德國成套刨煤機組,配套國產液壓支架,在小青礦、曉南礦進行試驗應用,基本實現了薄煤層自動化開采,在薄煤層實現平均日產3 385 t、最高日產5 300 t的水平。2007年,小青煤礦綜采刨煤機隊在煤層平均厚度1.91 m條件下,全年生產原煤137萬t,平均月產21.87萬t[2,12]。

        近10年來,薄及中厚煤層開采借助智能化技術優勢,向著高效、智能進一步邁進,工作面長度逐步加長,智能化水平逐步提高。例如在神東礦區,神東公司在工作面回采過程中不斷總結經驗,工作面鋪設長度經歷了240、300、360、400 m的變化,特別是2012年哈拉溝煤礦在較薄—厚煤層工作面長度增加至450 m,按照月產原煤 20萬t進行裝備。工作面加長使原計劃用連采設備回采的邊角煤區域全部納入到綜采工作面,采出率由原來的 88% 提高到 95%,可多采煤炭 30 萬 t[12]。

        2007-2013年,冀中能源峰峰煤礦在復雜堅硬薄煤層條件下,應用0.6~1.3 m薄煤層的綜采自動化成套技術與裝備實現自動化安全高效開采[3];2014年,黃陵一號煤礦在1.4~2.2 m中厚煤層配備自動化成套裝備,開創了工作面“有人巡視、無人值守”的自動化、智能化開采模式;2019年,薄煤層智能化采煤機組在山東棗礦集團濱湖煤礦應用,工作面平均采高1.35 m,工作面長度139 m,創出了薄煤層單面日產4 000 t的紀錄,并且推動取消了夜班生產,徹底顛覆了煤炭行業“24 h連軸轉”的傳統工作模式。

        3 安全高效礦井配套技術裝備發展

        3.1 綜合機械化掘進設備

        從20世紀90年代開始,懸臂式綜掘機在我國煤礦得到空前應用,其中重型、超重型掘進機大批出現,掘進機的設計、制造、后配套水平日趨完善,逐步跨入世界先進國家行列[13]。特別是中煤科工集團太原研究院研制的EBH450型掘進機,采用了截割工況識別和智能決策、截割轉速交流變頻調速控制、截割牽引調速控制等先進技術,達到國際先進水平。2000年以來,以 EBJ系列為代表的懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機配合作業,實現快速掘進,月進尺達1 000 m以上。

        近10年來,我國在影響掘進速度的“破巖、錨護、運輸”三要素上發力,消化吸收國外先進技術,在連續采煤機掘進基礎上改進提高,研發應用掘錨機組及其配套系統,成為綜掘技術發展的亮點。系統由掘錨機組、10臂錨桿鉆車及其后配套設備組成,掘錨分離、平行作業,多排多臂同時錨護作業,掘錨同步匹配,極大提高了掘進速度。2003年,神東礦區烏蘭木倫礦應用JOY-12CM15-15DDVG 掘錨機組掘進最高月進尺1 200 m,山西上榆泉煤礦使用奧地利ABM20掘錨機組,最高月進尺1 388 m;對比之下,2014-2016年,神東礦區大柳塔煤礦應用國產JM340掘錨機組高效快速掘進系統,平均月進尺2 400 m,最高月進尺3 088 m,大大刷新了世界紀錄。

        近年來,全斷面掘進機、全斷面盾構機的廣泛應用,是煤(炭)-鐵(建)融合、取長補短、相互完善、共同提高的標志。神華集團神東補連塔煤礦斜井工程總掘進里程2 745 m,最大月進尺639 m,連續4個月進尺超過500 m,是我國國內第1個采用全斷面隧道掘進機(TBM)施工貫通的煤礦斜井工程,掘進速度和單次掘進距離全球領先;神華新疆能源有限責任公司所開發的瑪納斯澇壩灣煤礦副平硐工程是國內首次將大型復合式巖石掘進機用于煤礦巷道的工程,掘進長度5 900 m,于2012-2014年冬季施工、連續掘進、洞內拆機;陜西彬長礦區高家堡煤礦成功應用在西區輔運大巷(6 500 m)和西區2號回風大巷(6 500 m)施工,山東巨野礦區新巨龍等多個煤礦均在井下大巷巖石掘進應用,取得較好的掘進紀錄。

        3.2 提升運輸技術與裝備

        提升運輸設備的發展,為煤礦安全高效生產提供了可靠支持。立井提升中,隨著大型及特大型礦井、深部礦井的不斷增加,大直徑大功率提升機、特大容量箕斗的研發應用,為千萬噸、千米深礦井提升創造了條件,也是我國煤礦運輸設備發展的重大突破。30年來,我國礦井建設中,塔式提升機最大直徑由4.0、4.5、5.0 m逐漸發展至目前最大的6 m,如巴拉素、大海則煤礦副井提升機采用的JKM-6×6多繩摩擦式提升機;落地摩擦式提升機規格最大直徑可以達到6.2 m,如華能甘肅能源公司核桃峪和新莊礦副井提升機采用的JKMD-6.2×4多繩摩擦式提升機;與大功率、大直徑、大容量的提升設備相適應,大功率的交-直-交變頻系統應用越來越廣泛,交流變頻傳動系統已成為礦井提升機傳動系統的主要發展方向,并向著提升機精確調速控制、位置閉環控制、機電液協調控制、無人值守全自動化智能集控技術、遠程故障診斷及健康管理技術進軍。近年來,國內貴州高原礦山機械廠研制生產的永磁電機內裝提升機得到了大力發展,已經有幾十臺的使用案例,其特點是高效節能,系統簡單。

        立井箕斗已經從最初的幾噸、十幾噸發展至幾十噸,例如20世紀90年代濟寧三號煤礦設計生產能力500萬t/a,采用2對22 t箕斗;2000年前后新巨龍煤礦設計生產能力600萬t/a,采用2對32 t箕斗;2010年后,紅慶河煤礦、葫蘆素煤礦、門克慶煤礦都是設計生產能力1 200~1 500萬t/a的特大型礦井,采用2對50 t箕斗,保證了礦井提升需要,也見證了大容量箕斗及提升設備技術的發展歷程。立井罐籠已從提升1.0、1.5、3.0 t礦車的軌道運輸,發展為全無軌運輸,神華黃玉川煤礦擁有國內第1套特大罐籠提升系統,最大載荷45~57 t, 巴拉素、大海則煤礦的大罐籠載荷已達78.5 t。

        在斜井或大巷提升運輸方面,從20世紀90年代起,隨著我國高產高效礦井的不斷出現,長距離、高帶速、大功率、大運量帶式輸送機成為斜井或大巷提升運輸系統的發展方向。以中煤科工集團上海研究院產品為例,經過30年研發,大功率、大運量帶式輸送機已經形成系列產品,最大運距8.7 km,最大帶寬2.2 m,最高帶速5.6 m/s,最大運量7 500 t/h,最大裝機功率4×3 150 kW,最高帶強7 000 N/mm,處于國內外領先水平。目前最大運行膠帶帶寬2 200 mm,輸送量7 000 t/h,速度4.7 m/s,采用3×1 600 kW電機驅動,應用于神華萬利布爾臺煤礦主斜井;山西西山晉興能源斜溝煤礦主斜井角度為15°~17°,最大運輸長度1 364 m,采用帶寬1 800 mm,運量4 500 t/h,帶速5 m/s,采用4×2 240 kW電機驅動;山西同煤同忻煤礦最大運輸距離4 600 m,帶寬1 800 mm,運量4 800 t/h,帶速5 m/s,采用6×1 800 kW多點驅動;小保當一號礦井主斜井運輸距離1 730 m,帶寬2 000 mm,運量5 800 t/h,帶速5.6 m/s,采用4×2 800 kW電機驅動。帶式輸送機的大型化給帶式輸送機軟啟動、電氣控制和保護系統提出了更高要求。2000年前多采用液力調速裝置,2000年之后變頻調速裝置成為首選。近年來直聯式永磁同步電機驅動和永磁電動滾筒驅動憑借其系統簡單和高效節能的優勢得到了大力發展,直聯式永磁同步電機驅動最大功率已達1 600 kW, 永磁電動滾筒驅動最大功率已達630 kW。

        輔助運輸方面,無軌膠輪車運輸、單軌吊等連續運輸設備的成功應用,也為煤礦安全高效發展提供了必要條件。其中無軌膠輪車運輸繼在神華大柳塔活雞兔等平硐或斜井煤礦成功應用后,在濟寧三號煤礦、新巨龍煤礦等立井、深部煤礦也相繼成功應用,拓展了連續運輸設備的應用空間,為立井現代化礦井建設創造了條件。20世紀90年代,我國研制成功第1臺TY6/20型客貨膠輪車和第1臺TY3061FB型自卸膠輪車,2006年我國研制成功第1臺WC40Y型框架式支架搬運車,改變了我國煤礦無軌輔助運輸設備完全依賴進口的格局。隨后,我國又成功研制載客5~30人的運人車、載重12 t的材料運輸車、載重55 t的鏟板式搬運車、載重80 t支架搬運車等,形成了煤礦井下無軌輔助運輸系統配套工藝技術。目前在煤層開采條件適宜的大型、特大型礦井,不再區分立井、斜井,采用大直徑、超寬罐籠可將無軌運輸設備整體升降,只需井底稍作轉換即可使用,基本實現了從地面到工作面的一站式運輸,打通了煤礦輔助運輸的低效瓶頸。

        3.3 建井技術與裝備

        在30年間,隨著我國設計建設水平的提高,復雜地質條件下深井建設也達到國際領先水平。特別是20世紀末至21世紀初,我國開發了適應大直徑、深井快速施工的普通法鑿井工藝技術及大型裝備,研制了鉆井直徑可達13 m的豎井鉆井、鉆井直徑5 m的反井鉆井、鉆井直徑5.8 m的豎井掘進機,發展了凍結、注漿和鑿井平行作業技術,創新形成了表土層鉆井與基巖段注漿的平行作業工藝。根據統計,我國煤礦井筒最大凍結深度950 m,為甘肅核桃峪煤礦副井凍結工程;凍結表土層深度754 m,為山東巨野萬福煤礦主副井凍結工程;最大鉆井深度660 m,鉆井成井直徑8.3 m,為安徽板集主井鉆井工程。

        進入21世紀,我國建井技術與裝備的最大突破,首選巨厚表土層條件下的成功建井。為解決華東地區深厚表土層建井難題,采用凍結法與鉆井法相結合,開展了深厚表土層條件下鉆井法鉆進深厚黏土層蠕變控制、新型井壁結構、井壁漂浮下沉、機械化壁后充填等技術研究,開展了凍結壁設計計算、凍結工藝、低溫狀態下高強混凝土、新型井壁結構的研究與應用等,形成了以新巨龍煤礦雙主井一風井鉆井法、副井凍結法為代表的深厚表土層鉆井工藝,取得多項技術突破。新巨龍煤礦主采3號煤層埋藏深度大,一般為800~1 200 m;上覆松散層(第三系+第四系)厚度大,一般為530~800 m,屬于世界級難題。在鉆井建設中創新井筒設計,采用鉆井法施工主井風井3個井筒,鉆井深度達到583 m,采用鋼筋混凝土和鋼板混凝土復合井壁;副井采用凍結法施工,凍結井筒深度650 m,采用雙層鋼筋混凝土和高性能鋼筋混凝土井壁,創造了巨厚表土層建井的4個“世界第一”,獲得國家科學技術進步獎二等獎2項,礦井工程獲得魯班獎[10-11]。

        4 中國井工煤礦開采發展前景展望

        隨著我國井工煤礦開采技術的發展,安全、高效、綠色、智能將成為未來的主要發展方向,具體表現在以下幾個方面。

        (1)復雜煤層安全高效開采。由于我國未來井工煤礦煤層條件日趨復雜,因此研發復雜煤層條件安全高效開采技術工藝、高可靠性裝備, 提升煤機裝備智能制造水平,提高工作面自動控制水平,成為安全高效礦井建設最迫切的要求,也是智能化發展的趨勢。

        (2)井工煤礦智能無人開采。依靠科技進步,井工煤礦開采、掘進、運輸、支護、通風、選煤等系統逐步實現無人化,探索深部煤炭資源無人化開采方法和技術裝備,以無人化高可靠性精準采煤機器人、井下全斷面無人化智能掘進機器人替代井下工人,實現井下無人化。

        (3)煤炭資源綠色一體開采。針對煤炭開發地表塌陷、植被和地下水體破壞、廢棄物排放和共伴生資源浪費等問題,探索煤礦開采的生態環境近零損害開采工藝與設備;探索精準局部充填開采技術,地下水資源高效儲存、利用技術,應用保水采煤技術、煤與瓦斯共采技術、煤水共采技術、煤與地熱共采技術、采選充一體化技術等,開展新型開采方法、技術和裝備研究。

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        Review and prospect of mining technology and equipment of underground coal mines in China

        GUO Junsheng

        (CCTEG Coal Industry Planning Institute, Xicheng, Beijing 100120, China)

        Abstract Over the past 30 years, China's underground coal mining technology and supporting equipment have achieved a leap forward improvement from weak to strong, whether it is mining, tunneling technology and supporting equipment, or safe and efficient modern mine construction technology level. The development of thick coal seam mining technology, thin and medium-thick coal seam mining technology and equipment, safety and high-efficiency mine supporting technology and equipment in China in the past 30 years were reviewed and summarized, and the development of China's underground coal mining was prospected. It was believed that safety, high efficiency, green and intelligence would become the main development direction of China's underground coal mining technology in the future, mainly in the aspects of safe and efficient mining of complicated coal seams, intelligent unmanned mining of underground coal mines, green integrated mining of coal resources.

        Key words underground coal mine; mining; tunneling; safety and high efficiency; technology and equipment; development prospect

        中圖分類號 TD823;TD421

        文獻標志碼 A

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        引用格式:郭俊生. 我國井工煤礦開采技術裝備回顧及展望[J]. 中國煤炭,2021,47(2):24-30. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.02.003

        GUO Junsheng. Review and prospect of mining technology and equipment of underground coal mines in China[J]. China Coal,2021,47(2):24-30. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.02.003

        作者簡介:郭俊生(1964- ),男,山東東營人,工程研究員,煤炭行業設計大師,現任煤炭工業規劃設計研究院總工程師,從事煤炭規劃與咨詢評估工作。E-mail:guojunsheng@mtghy.com

        (責任編輯 郭東芝)

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